單片機AT9S直流電機PWM調(diào)速控制系統(tǒng)

單片機課程設(shè)計題目:直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計學(xué)院：電氣與電子項目專業(yè)：自動化班級：100304組長：徐鵬20180883組員：徐洋20180885許佩東20180886于思雨20180888韓振帥指導(dǎo)教師：白文峰2018年6月7日第一章:摘要1.摘1要：直流電機的定義：將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能（直流電動機＞或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機＞的旋轉(zhuǎn)電機。近年來，隨著科技的進步，直流電機得到了越來越廣泛的應(yīng)用，直流具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實現(xiàn)頻繁的無極快速起動、制動和反轉(zhuǎn)，需要滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對直流電機提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求，這是通過方式控制直流電機調(diào)速的方法就應(yīng)運而生。采取傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下的缺陷：模擬電路容易隨時間飄移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而用 技術(shù)后，避免上述的缺點，實現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號，可以大幅度減低成本和功耗。并且 調(diào)速系統(tǒng)開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得平滑的直流電流，低速特性好；同時，開關(guān)頻率高，快響應(yīng)特性好，動態(tài)抗干擾能力強，可獲很寬的頻帶；開關(guān)元件只需工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置的效率高，具

有節(jié)約空間、經(jīng)濟好等特點。隨著我國經(jīng)濟和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多場合，都要求有直流電機 調(diào)速系統(tǒng)來進行調(diào)速，諸如汽車行業(yè)中的各種風(fēng)扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動門、自動門鎖、自動窗簾、自動給水系統(tǒng)、柔巾機、導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛機、坦克、火箭、雷達(dá)、戰(zhàn)車等場合。直流電機工作原理直流電機電路模型如圖3.1所示，磁極N、S間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈abcd。當(dāng)線圈中流過電流時，線圈受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過線圈中電流改變方向時，線圈的受方向也將改變，因此通過改變線圈的方向。圖3.1直流電動機電路模型電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機式1.1式1.1中，Ra為電樞回路電阻，與電刷接觸電阻的總直流電機PWM調(diào)速原理直流電機工作<)1直流電機轉(zhuǎn)速直流電機的數(shù)學(xué)模型可用圖3.2表示，由圖可見電機的電樞電動勢Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反，Ea為反電動勢；電磁轉(zhuǎn)矩的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動轉(zhuǎn)矩；軸上的機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)矩T0均與n相反，是制動轉(zhuǎn)矩。圖3.2直流電機的數(shù)學(xué)模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動勢平衡方程式1.1：式1.1U=Ea-Ia<Ra+Rc)式1.1和；Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機的轉(zhuǎn)速公式為：n=Ua-IR/Ce① 式1.2式1.2中，Ce為電動勢常數(shù)，①是磁通量。由1.1式和1.2式得n=Ea/Ce① 式1.3由式1.3中可以看出，對于一個已經(jīng)制造好的電機，當(dāng)勵磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時，它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到0V時，電機就停止轉(zhuǎn)動；改變電樞電壓的極性，電機就反轉(zhuǎn)。2 電機調(diào)速原理對于直流電機來說，如果加在電樞兩端的電壓脈動電流壓＜要求脈動電壓的周期遠(yuǎn)小于電機的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變T1和T2寬度，得到的電壓將發(fā)生變化。圖3.3為施加不同占空比時實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全速的線性關(guān)系圖中實線），原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關(guān)系。由此可見，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機PWM調(diào)速原理。.本2設(shè)計任務(wù):任務(wù)單片機為控制核心的直流電機 調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容以及技術(shù)參數(shù):功能主要包括：直流電機的正轉(zhuǎn)；直流電機的反轉(zhuǎn)；直流電機的加速；直流電機的減速；直流電機的轉(zhuǎn)速在數(shù)碼管上顯示；直流電機的啟動；直流電機的停止；第二章：總體設(shè)計方案總體設(shè)計方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖一所示。應(yīng)的脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大、光耦傳遞，驅(qū)動型橋式電動機控制電路，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)通過數(shù)碼管顯示出來。電動機所處速度級以速度檔級數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時最高位顯示“三”，其它三位為電機轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時最高位顯示“”，其它三位為電機轉(zhuǎn)速。每次電動機啟動后開始顯示，停止時數(shù)碼管顯示出、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計與分析電動機 驅(qū)動模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)具體電路見下圖。本電路采用的是基于原理的型橋式驅(qū)動電路。電路由復(fù)合體管組成型橋式電路構(gòu)成，四部分晶體管以對角組合分為兩組：根據(jù)兩個輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個二極管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護作用，防止電動機兩端的電流和晶體管上的電流過大的保護作用。在實驗中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為電源，因此若復(fù)合管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為，再加上三極管本身壓降，加到電動機兩端的電壓就只有左右，嚴(yán)重減弱了電動機的驅(qū)動力?；谏鲜隹紤]，我們運用了 光耦集成塊，將控制部分與電動機的驅(qū)動部分隔離開來。輸入端各通過一個三極管增大光耦的驅(qū)動電流；電動機驅(qū)動部分通過外接 電源驅(qū)動。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動電流得到了大大的增強。在電動機驅(qū)動信號方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號控制。脈沖頻率對電動機轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在 以下，電動機轉(zhuǎn)動有明顯跳動現(xiàn)象。而具體采用的頻率可根據(jù)個別電動機性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過輸入高電平信號， 輸入低電平，電機正轉(zhuǎn)；通過輸入低電平信號， 輸入高電平，電機反轉(zhuǎn)； 1 同時為高電平或低電平時，電機不轉(zhuǎn)。通過對信號占空比的調(diào)整來對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。2、系統(tǒng)的軟件設(shè)計本系統(tǒng)編程部分工作采用 語言完成，采用模塊化的設(shè)計方法，與各子程序做為實現(xiàn)各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識別和功能、脈寬控制和數(shù)碼管顯示等部分的設(shè)計。單片機資源分配如下表：顯示模塊接口鍵盤中斷鍵盤模塊接口電機驅(qū)動接口系統(tǒng)時鐘①脈寬控制：本設(shè)計中采用軟件延時方式對脈沖寬度進行控制，延時程序函數(shù)如下：/********延*時*函*數(shù)********************②鍵盤中斷處理子程序：采用中斷方式，按下鍵，完成延時去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執(zhí)行。要實現(xiàn)按住加/減速鍵不放時恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否松開該按鍵時，每進行一次增加/減少一定的占空比。位，分別存放各③顯示子程序：利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū)，緩存區(qū)有個數(shù)碼管要顯示的值。位，分別存放各④定時中斷處理程序：采用定時方式1因為單片機使用 晶振，可產(chǎn)生最高約為 的延時。對定時器置初值 可定時，即系統(tǒng)時鐘精度可達(dá)0當(dāng) 定時時間到，定時器溢出則響應(yīng)該定時中斷處理程序，完成對定時器的再次賦值，并對全局變量 加1這樣，通過變量可計算出系統(tǒng)的運行時間。3、軟件設(shè)計中的特點:對于電機的啟停，在控制上使用漸變的脈寬調(diào)整，即開啟后由停止勻加速到默認(rèn)速度，停止則因為當(dāng)前速度逐漸降至零。這樣有利于保護電機。鍵盤處理上采用中斷方式，不必使程序?qū)︽I盤反復(fù)掃描，提高了程序的效率。第三章：系統(tǒng)硬件電路設(shè)計整體框圖如下：74LSU474LSU474LSU474LSU4P1U燈位電掂vccKTAL1POj0/M：'OPO.UADlXTAL2P0J/AD2P03/M3Pu.4/ul：'4P0J/M：'5POj6/M：'6P0.7/M-7RSTEA/VPPP1J0/T2PSEHP1.1/T2EKji±DTRO(jP12XECIP3J0醒DP13/CE5DJP1.4/CEJE1P1J/CEK2PB.l.'TcIjP1J6/CEK3P1.7/CE3：4P33,'H-rriP3.4/T0P2J0/A8P3J/T1P2.1/AQP3J6XWIIP22/A1OP3.7JTT-P23/AUvssP2.4/A12P2J/A13P2j6/A14P2.7/A15第四章：系統(tǒng)功能調(diào)試真整體圖如下1、正轉(zhuǎn)時下圖：EI56I8-1、正轉(zhuǎn)時下圖：EI56I8-直流電機的調(diào)試功能仿真如下圖：，電機正轉(zhuǎn)，數(shù)碼管最高位顯示“三”,其它三位先所給定頻率，如PDD'H.tiQPD.VAD1PU2/M2PU3/M3PD.^AD*PD^ADSPDAADSPn.7/AD7pza'H.nPZ.4/A12PZSAOPZAAUPZ.T/A15PID'FXDpj.irrxDpi^nrra反轉(zhuǎn)時，電機反轉(zhuǎn)，數(shù)碼管最高位顯示“”其它三位先所給定頻率，第五章：程序見附件見附件第六章：元件清單見附件3第七章：心得體會略附件1基于單片機 的直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)自*定*義*變*量********/自定義變量定時次數(shù)，每次計數(shù)的次數(shù)。 輸出波形。 輸出波形。 正反轉(zhuǎn)。 加速。 減速。 停止。 啟動k脈沖加減控*制*位*定*義********序存儲區(qū)定義字型碼表。 位碼uint。x 數(shù)碼反管反顯示的數(shù)值l數(shù)碼管顯示。延時函數(shù)主*函*數(shù)*方式 定時計數(shù)方式計數(shù)裝/入/初值計/數(shù)啟動啟動數(shù)碼管初始化無限循環(huán)數(shù)（/碼＞管顯示數(shù)*碼*管*顯*示*求速度個位/值/，送到個位顯示緩沖區(qū)1求0速/度/十位值，送到十位顯示緩沖區(qū)求%/速1/度0百位值，送到百位顯示緩沖區(qū)求速度千/位/值，送到千位顯示緩沖區(qū)顯示個位顯=示1十＞位顯=示=百2位＞顯=/示3/千＞位if(k==0> //正轉(zhuǎn)時顯示"三{。a}else{0 反轉(zhuǎn)時顯示}}+。+***延*時*函*數(shù)*********************(>i。 0 。定時中斷函數(shù)0(>interrupt1using2重裝按鍵掃描如果按下，去抖動啟動1方式計數(shù)，讀入計數(shù)值減速加速方式計數(shù)，讀入計數(shù)值減速停止附件2：元件數(shù)量個）元件數(shù)量個）光電耦合器：三極管按鍵三極管自鎖按鍵四位一體數(shù)碼管晶振電容直流電機電阻電容電阻電解電容下載口參考文獻[1]王兆安等.電力電子技術(shù)[M].北京.機械工業(yè)出版社.2000年.[2]周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真[M].北京.中國電力出版社，2007年.[3]陳伯時.運動控制系統(tǒng)[M].北京.機